一種導電聚合物的傳感與光電導性能演示裝置的製作方法

2023-05-25 09:56:31

專利名稱：一種導電聚合物的傳感與光電導性能演示裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於物理學科中的光電實驗裝置技術領域，涉及一種新的教學實驗裝 置，特別是一種用於演示新型有機半導體材料導電聚合物的傳感與光電導性能的演示裝置。
技術背景半導體是指導電性可受控制，導電性能介於導體與絕緣體之間的材料。從科技或 經濟的角度來看，半導體的重要性都是非常巨大的。現在大部分的電子產品，如電腦、手機、 電視機、收音機等的核心部件都和半導體有著極為密切的聯繫。目前人們對半導體的認識 大多局限於以矽、鍺等元素半導體和氧化鋅等化合物半導體為代表的無機半導體。最近幾 十年，隨著化學家MacDiarmid、Shirakawa和物理學家Heeger等發現聚乙炔薄膜經過碘摻 雜後呈現金屬電導特性，打破了 「聚合物=絕緣體」的傳統觀念後，以導電聚合物為代表的 有機半導體已經從一些簡單的聚合物研究發展到成為一門新型交叉學科，並因其特殊的物 理化學性質而具有廣闊的發展前景。導電聚合物是由具有共軛π鍵的聚合物經化學或電化學「摻雜」後形成的，通過 摻雜使其電導率由絕緣體轉變為導體。無機半導體之所以能廣泛應用在當今世界的電子產 品中，憑藉的就是通過摻雜而改變了其電學性質。而導電聚合物的摻雜與無機半導體的摻 雜不同，導電聚合物的摻雜量一般在百分之幾到百分之幾十之間(無機半導體的摻雜量僅 為萬分之幾)，摻雜劑不參與導電，摻雜是一種氧化還原過程並且該過程是完全可逆的，導 電聚合物的摻雜還可通過摻雜_脫摻雜_再摻雜的反覆處理方法來獲得更高的電導率和 穩定性。導電聚合物的導電機理與一般的導體和半導體也不同，導電聚合物的載流子是由 孤子、極化子、雙極化子等構成的，不同於金屬導體的自由電子以及無機半導體的電子和空 穴。導電聚合物除了具有金屬(較高電導率)和半導體特徵之外，還保留了高聚物的結構 多樣化、可加工性和比重輕等特點。導電聚合物的最大特點是通過控制摻雜，其電導率可以 在絕緣體-半導體-金屬態(I(Tltl-IO5SAm)較寬的範圍內變化。這是目前任何材料無法比 擬的。常見的導電聚合物有聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩、聚對苯撐乙烯等。聚苯胺因其 合成簡單、原料低廉、導電和摻雜機理獨特、結構多樣、穩定性高以及技術應用前景廣泛而 引起了科學家的廣泛重視。目前，許多物理學者和科研人員已對多種導電聚合物的製備、導電和摻雜機理進 行了廣泛的研究，並取得了很多受人重視的成果。通過對聚苯胺深入廣泛的研究，產生了許 多獨特的應用領域，如傳感器、金屬防腐、二次電池、電致變色、電化學和催化材料、隱身技 術等領域。作為一種典型的導電聚合物，以聚苯胺作為新型有機半導體的一個例子來介紹、 演示導電聚合物的導電、傳感和光電導性能，能夠加深人們對導電聚合物以及有機半導體 的認識。聚苯胺粉末、薄膜、納米結構的製備方法很多，相關技術已經成熟，但把聚苯胺作為 教學實驗儀器來介紹、演示導電聚合物的導電機理、傳感性能以及光電導的設備和方法還 未見報導。發明內容本實用新型的目的在於克服現有技術中缺少演示導電聚苯胺的電學性能設備和 方法的缺點，尋求設計製備一種以導電聚苯胺作為新型有機半導體材料，展現並演示導電 聚合物的導電、傳感和光電導性能的教學實驗演示儀器裝置。為了實現上述目的，本實用新型採用四電極法檢測導電聚苯胺薄膜或粉末壓片在 溼度變化的情況下兩端電壓的變化，通過電壓的變化獲取聚苯胺樣品在溼度變化的情況下 電阻的變化，顯示導電聚苯胺薄膜或壓片的傳感性能，該裝置在光源照射下直接觀察電流 的變化演示導電聚合物的光電導行為；標準四電極法的原理是在樣品兩端電極加上恆流 源，在中間兩電極之間用電壓表來檢測中間兩電極之間的樣品的電壓，由於通過樣品的電 流恆定，電壓的變化即表示為電阻的變化；本實用新型使用的是聚苯胺薄膜或聚苯胺納米 線壓片，取寬約2釐米、長約5釐米的聚苯胺薄膜或壓片按照四電極法連接，電極為細銅導 線並用銀膠固定在聚苯胺薄膜或壓片上，將聚苯胺薄膜或壓片固定在絕緣的玻璃片或二氧 化矽片上；在聚苯胺薄膜或壓片所在環境空氣溼度發生變化時，聚苯胺薄膜或壓片的電導 率發生變化，表現為電壓讀數的變化；由於聚苯胺分子鏈上存在很多缺陷，大部分載流子都 是束縛的，當聚苯胺薄膜或壓片受到光照射時，會激發聚苯胺內部束縛載流子為自由載流 子參與導電，使聚苯胺的電流增加而產生光電導。本實用新型的主體結構包括玻璃匣子、恆流源、電流表、電壓表、電極、聚苯胺薄膜 或壓片和管道以及附屬用品注射器、光源、蒸餾水、稀硝酸溶液和氨水；標準四電極法連接 的聚苯胺薄膜固定在透明的玻璃匣子的絕緣石英或玻璃襯底上，聚苯胺薄膜兩端各引出兩 條銅導線構成4個電極，用高導電銀膠固定電極，邊側上的兩個電極連接恆流源提供穩定 的電流或連接電流表測光電流，內側的兩個電極連接電壓表測量電壓；聚苯胺薄膜放置在 透明的玻璃匣子內被直觀觀察到，玻璃匣子底部一邊角處制有管道，通過管道往玻璃匣子 內通入水蒸汽或乙醇蒸汽以觀察導電聚苯胺的溼度敏感性，在玻璃匣子內可安放溼度表可 定量分析不同溼度下聚苯胺薄膜電導率的不同；普通的一次性注射器的針孔對準在聚苯 胺薄膜中間，用以滴加水或稀硝酸溶液，觀察聚苯胺薄膜電阻在過量水或稀酸溶液的變化； 若將裝置進行簡易的變換還可觀察導電聚苯胺的光電導特性，具體實施如下電極連接電 流表，電極的電壓表為空載，光源為白熾燈或為其它，光源發出的光照射在聚苯胺薄膜的表 面，觀察電流表在照射前後電流的變化來介紹聚苯胺薄膜或壓片的光電導特性。本實用新型具有以下特點和優點一是採用的標準四電極法測量聚苯胺電阻的變 化，原理簡單，現象直觀明顯，而且四電極法可以避免電極與被測量材料表面的接觸電阻， 測量結果比較準確可靠；二是可以直接演示導電聚苯胺在與水、化學物質(液態或氣態)接 觸時、以及光照下的電阻變化，即化學傳感性能和光電導性能；三是所採用的聚苯胺薄膜或 壓片具有很好的環境穩定性，且與水、酸性或鹼性化學物質的相互作用都是可逆的，光照不 會引起薄膜或壓片性質的變化，具有很好的可重複性。

圖1為本實用新型的結構原理示意圖。圖2為聚苯胺薄膜在滴加過量水的電阻隨時間的變化曲線圖。[0011]圖3為納米結構導電聚苯胺光電流的變化曲線圖。
具體實施方式
以下結合附圖並通過實施例做進一步說明。本實施例的主體結構為標準四電極法連接的聚苯胺薄膜8固定在絕緣的石英或 玻璃襯底上，聚苯胺薄膜8兩端各引出兩條銅導線構成兩對共四個電極1、2、3和4，並用高 導電銀膠固定，兩側的電極1和4連接恆流源5，提供一個穩定的電流或連接電流表測光電 流，內側的電極2和3連接電壓表6測量電壓的變化；聚苯胺薄膜8安放在透明玻璃匣子7 內可直觀觀察到聚苯胺薄膜8，通過管道10往玻璃匣子7內通入水蒸汽或乙醇蒸汽觀察導 電聚苯胺的溼度敏感性，在玻璃匣子7內安放溼度表可定量分析不同溼度下聚苯胺薄膜8 電導率的不同；選用普通的一次性注射器9在聚苯胺薄膜8中間滴加一滴水或稀硝酸溶液， 觀察聚苯胺薄膜8電阻在過量水或稀酸溶液的變化；本實施例進行簡易變換可觀察導電聚 苯胺的光電導特性，將電極1、4連接電流表，電極2、3的電壓表為空載，選擇白熾燈為光源， 光源發出的光照射在聚苯胺薄膜8的表面，觀察電流表在照射前後電流的變化來理示聚苯 胺薄膜或壓片的光電導特性；有機半導體對溫度比較敏感，隨著溫度的升高電導率會升高， 為了避免溫度(即熱效應)對聚苯胺光電導特性的影響，光照時間控制在10秒鐘以內。實施例1 本實施例演示聚苯胺薄膜在滴加過量水的傳感性能。所用的聚苯胺薄膜8為用 「摻雜_脫摻雜_再摻雜」的方法製備的厚約18-26 μ m的自支撐的樟腦磺酸摻雜聚苯胺 (PANI-CSA)薄膜，其室溫下電導率約為200S/cm ；四電極中的電極1和4接恆流源，電極2、3 接電壓表；注射器針9的頭為外徑0. 72mm,內徑0. 42mm，注射液為蒸餾水，一滴水為15μ L ； 連接好設備後，在聚苯胺薄膜表面注射一滴水；圖2為聚苯胺薄膜電阻在滴加水後電阻的 變化，可以看出，聚苯胺薄膜在過量水作用下電阻變化明顯，電阻在滴加水後先減小後增 加，達到最大值後又逐漸減小，且電阻在水完全揮發後又回到原來大小，表明聚苯胺薄膜與 水的作用是完全可逆的；導電聚苯胺的電阻在滴加水後之所以出現這樣的現象是與導電聚 苯胺的微觀結構有密切的聯繫，導電聚苯胺是由有序的晶態區和無序的非晶區組成的；晶 態區的聚合物鏈是有序模式排列並有高的電導率，而非晶區的聚合物鏈雜亂無序且電導率 低，該現象是水分子與聚合物鏈的相互作用的結果；該過程時間長，可以適當的增加薄膜表 面的空氣流動來加速水分的蒸發或者使用揮發比較快的酒精來代替水，也能得到相似的結 果而縮短過程時間；通過聚苯胺薄膜與水的相互作用就可以很好的理解有機半導體的導電 機理和傳感性能。實施例2:本實施例演示聚苯胺薄膜的光電導特性。導電聚合物屬於有機半導體，結構基本 上以無序為主、部分晶態，導電聚合物分子鏈上存在很多缺陷，大部分載流子都是束縛的， 光照會激發聚苯胺表面的束縛載流子形成光生載流子參與導電，繼而增大了有機半導體的 電導率，即形成了光電導。本實施例所用的聚苯胺為對羥基苯甲酸摻雜的聚苯胺納米線壓 片，由於光電流很弱(僅為幾十納安)，用電壓表幾乎檢測不到聚苯胺壓片兩端電壓的變 化，採用高靈敏度電流表來觀察聚苯胺壓片的電流的變化，在實施例1的基礎上進行了簡 易的變換，具體實施方法如下首先，如圖1所示，標準四電極的電極1和4連接高靈敏電流表5，本實施例採用的是Keithley 6487型皮安表；電極2和3空載；然後，在連接好線路後， 用白熾燈光源照射聚苯胺壓片10秒，觀察並記錄該過程中電流表示數的變化，待電流回復 到原來大小時再重複照射；聚苯胺薄膜8光電流的變化如圖3所示，可以看出聚苯胺薄膜8 在有光照射時電流迅速增加，停止光照後電流迅速回復，光照時間只有幾秒，可以排除由於 熱效應而導致的電流的增加，說明聚苯胺有很好的光電流效應，本實施例很好的演示了有 機半導體的光電流效應。
權利要求一種導電聚合物的傳感與光電導性能演示裝置，主體結構包括玻璃匣子、恆流源、電流表、電壓表、電極、聚苯胺薄膜或壓片和管道以及附屬用品注射器、光源、蒸餾水、稀硝酸溶液和氨水；其特徵在於標準四電極法連接的聚苯胺薄膜固定在透明的玻璃匣子的絕緣石英或玻璃襯底上，聚苯胺薄膜兩端各引出兩條銅導線構成四個電極，用高導電銀膠固定電極，邊側上的兩個電極連接恆流源，內側的兩個電極連接電壓表；聚苯胺薄膜放置在透明的玻璃匣子內被直觀觀察，玻璃匣子底部一邊角處制有管道，注射器的針孔對準在聚苯胺薄膜中間。
專利摘要本實用新型屬於物理實驗裝置技術領域，涉及一種導電聚合物的傳感與光電導性能的演示裝置，主體結構包括玻璃匣子、恆流源、電流表、電壓表、電極、聚苯胺薄膜或壓片和管道以及附屬用品注射器、光源、蒸餾水、稀硝酸溶液和氨水；標準四電極法連接的聚苯胺薄膜固定在透明的玻璃匣子的絕緣石英或玻璃襯底上，聚苯胺薄膜兩端各引出兩條銅導線構成四個電極，用高導電銀膠固定電極，邊側上的兩個電極連接恆流源提供穩定的電流或連接電流表測光電流，內側的兩個電極連接電壓表測量電壓；其原理簡單，顯示直觀明顯，測量結果準確可靠，環境穩定性好，可重複性強。
文檔編號G09B23/18GK201638438SQ20102015640
公開日2010年11月17日 申請日期2010年4月9日 優先權日2010年4月9日
發明者尹紅星, 李蒙蒙, 龍雲澤 申請人:青島大學